01 개요

디젤 엔진 오일의 성능 규격은 크게 3개로 나뉜다.

즉, 북미, 일본, 유럽 등 3개 지역을 기준으로 성능 규격 또한 달리 규정하고 있다. 이는 지역적 특성과 아울러 해당지역에서 생산하는 엔진의 모양이 다르기 때문에 이에 맞는 엔진오일 또한 달리 개발되었기 때문이다.
따라서, 지역적으로 다른 디젤엔진의 모양과 이에 따른 엔진오일의 차이를 설명하도록 하겠다.

먼저, 차이점에 대하여 설명을 하기 전에 이해를 돕기 위하여 아래의 용어를 참조하기 바란다.

Crown land : piston top과 압축링(compression ring-top ring groove)과의 사이.
Ring groove : 피스톤의 압축링 및 오일링을 끼워넣을 수 있는 틀.
Clearance : crown land와 실린더벽 사이.
Skirt : 피스톤의 옆면
Crevice volume : top ring / piston head / crown land / 실린더벽으로 둘러쌓인 공간. 즉, 미국식의 clearance는 넓게되고있고, crown land의 길이는 짧다. 이에 반해 일본식/유럽식은 정반대의 형태를 가지고 있다. 엔진설계시 이 공간을 축소할 경우에는 디젤엔진의 효율성을 향상시키며, 배기가스로 인한 Soot나 불연소연료를 감소시킬 수 있다.

02 엔진 디자인과 기초 윤활의 조건

엔진의 모양에 의해 윤활유의 조건이 달라진다.

디젤 엔진은 폭발을 하면 불연소물과 카본 퇴적물이 발생을 하는데 이러한 물질은 피스톤, 실린더, Top-ring land등에 deposits을 형성하거나 혹은 blow-by gas를 통하여 윤활유 내에 혼입되게 된다. 즉, 이러한 퇴적물의 형태는 엔진의 모양(즉, 피스톤 모양)에 의해 결정되며 이에 따라 윤활유의 조건 또한 달라진다.

일반적으로 crevice volume을 줄이면 디젤엔진의 효율성을 증가시키고 배기가스에서 발생하는 불연소물질과 soot를 줄일 수 있다. 즉, crevice volume을 줄이기 위하여 top ring을 올리거나, clearance를 줄이게 된다. 그러나, 압력이 너무 크면 금속재질이 견딜 수 없으므로 줄이는 데는 한계가 있다.

clearance가 큰 피스톤은 “cutaway” crownland를 이루는 데 crevice volume을 줄이기 위하여 top ring은 올라가게 되는데, 이러하면 top ring에 많은 부하를 받게 되며 이와 함께 오일소모량은 감소할 것이다. top-ring이 올라가면 top ring위에 있는 piston은 강한 부하를 받게 되는 데, 마모방지를 위하여 steel ring groove insert를 사용하거나 crown과 ring belt 지역을 steel로, skirt는 aluminum으로 하여 2 piece piston을 만들기도 한다. 2 piece piston은 무게를 작게 하고 질소산화물의 발생을 적게 한다는 보고가 있다. 그러나, top-ring을 높게 설치한다면 고온부위에는 deposit의 발생이 증가하여 ring sticking과 같은 현상이 일어나며 이로 인하여 오일소모량이 증가할 수가 있다. 따라서, cutaway type의 피스톤은 top ring의 위치가 높으므로 엔진오일 선택시 deposit이 많이 발생하지 않도록 선택해야 한다.

만약 clearance를 좁게 한다면 top ring이 낮게 위치해야 하는 데 이때 좁은 clearance에서 강한 카본퇴적물이 발생을 하면 실린더 벽에 오일의 흐름을 좋게 하기 위하여 만든 “cross hatching”의 모양을 “polish” 모양으로 만들어 오히려 오일의 소모량을 증가시키게 된다. 따라서, clearance가 좁고 top ring의 위치가 낮은 piston type을 유지하는 유럽/일본형의 piston은 강한 카본 퇴적물 방지를 할 수 있도록 윤활유 설계해야 한다.

03 지역별 윤활유 스타일

North American

배기가스규제는 1990년부터 규제를 하기 시작했는데 이는 엔진을 디자인하는 데 결정적인 역할을 하고 있다.

전통적으로 북미 heavy duty 디젤엔진오일은 low ash type의 Detroit diesel 2 cycle 엔진과 밀접한 관계를 가지고 있다. 4 사이클 엔진 제작자들이 다급점도유 엔진오일을 개발할 때, detroit diesel engine에 사용하였던 엔진오일의 기술을 근간으로 하였다. 따라서, 북미지역에서 규제하는 sulfur와 함께 엔진오일은 low sulfated ash 오일이 적용되고 있다.

1990년초에 도입되었던 low sulfated ash e/o은 1991년 이전의 배기가스규제에 아주 적절하게 적용되고 있었다.

기존의 sulfur함량과 80년후반의 윤활유기술은 북미에서 1990년 배기가스규제를 맞출수가 있었다. 배기가스규제를 맞추기 위하여 엔진도 변화가 있었다. 즉, indirect injection에서 direct injection으로 변경되었다. 또한, top piston ring의 힘을 증가시키는 수단으로 clearance가 넓어지자, top ring의 위치는 crevice volume을 줄이기 위하여 높게 위치하게 되었다.

그러나 1994년에 도입된 배기가스규제를 맞추기 위하여 보다 많은 변화가 필요하였다. 북미엔진제작자들의 가장 큰 관심중의 하나는 강화된 배기가스규제를 맞추는 것과 290,000 miles을 운행하고도 이러한 규격을 유지해야 하는 것이다. 지금까지 배기가스중 PM의 함량은 윤활유 뿐만아니라 연료의 황함량에 의하여 감소할 수 있다고 받아들여지고 있다. 따라서, 이제 미국지역의 대부분은 배기가스규제를 위하여 디젤의 황함량을 0.05wt% 이하를 적용하고 있다.

북미의 디젤엔진오일은 ash와 관련된 deposit 생성을 감소하기 위하여 low-detergency, low-sulfated ash type을 사용하고 있다. 따라서, low detergency에서 청정성을 유지하기 위해서는 high dispergency를 사용하고 있다. 피스톤의 성능을 저해하는 요소는 PM의 증가와 연관이 있는 오일소모량의 증가이다. 따라서, 증가한 dispergency는 오일소모량에 의한 ring sticking을 방지하여 준다. 뿐만아니라, high top ring은 크랭크케이스에 soot의 발생을 증가시키는 데, dispergency는 soot loading 능력을 증가시켜 준다.

일반적으로 ashless dispersants는 열안정성이 높지 않으므로 북미의 엔진은 대부분이 피스톤의 열로부터 엔진오일을 보호하기 위하여 피스톤크라운의 두께가 두껍다. 즉, 피스톤에서 발생한 열은 피스톤링을 통하여 실린더벽에 직접 전달될 수 있도록 설계되어 있다. 대체적으로 북미엔진오일은 higher dispersant이며, 1.0% 이하의 sulfated ash를 유지하고 있다.

유럽형

유럽 디젤엔진은 북미의 디젤엔진처럼 갑작스런 변화는 없이 점차적으로 변화를 해왔다.

유럽 엔진은 북미 엔진과 비교하여 동일한 축간거리에서도 보다 높은 출력을 유지하고 있으며, 폐유 발생을 적게 하기 위하여 교환주기를 증가시켜 왔다.

일반적으로 유럽엔진의 폭발압력과 온도는 높은 데, 이것은 clearance를 좁혀주었으며, 반면에 crevice volume를 유지하기 위하여 top ring의 위치를 낮게 하였다.

피스톤 crownland를 깨끗이 하고, 오일소모에 따른 bore polishing을 방지하기 위하여 유럽엔진(SHPD)들은 높은 detergent를 필요로 하였다. 이렇게 높은 detegency는 TBN의 값을 높여주어 증가된 교환주기에 의하여 발생한 산화물을 중화시키는 역할을 하였다. 즉, high detergency는 high ash level를 뜻하게 되었다.

long drain의 엔진오일에서는 또한 오일내에 soot와 불순물의 유동을 위하여 high dispersant를 요구하게 된다.

일본형

일본형의 디젤엔진은 유럽형과 유사하다. 즉, 폭발압력과 온도가 높으며, crevice volume을 낮추기 위하여 clearance가 좁고 top ring의 위치가 낮게 위치되어 있다. 또한, 엔진오일은 crownland의 hard carbon deposits을 방지하기 위하여 high detergent와 high ash e/o의 특징을 가지고 있다.

그러나, 오일탱크는 동일한 출력의 북미 및 유럽엔진에 비하여 작게 설계되어 있다. 즉, 이러한 오일탱크의 축소는 오일에 열에 의한 영향력을 증가시키게 한다. 따라서, 일본의 엔진은 피스톤 crown의 온도가 낮게 되도록 설계되어 있다. 이것은 일본에서 가장 중요하게 여기고 있는 질소산화물의 발생량을 적게하는 역할을 한다.

그래서, 일본에서의 디젤엔진오일은 북미나 유럽에 비하여 산화안정성이 높으며, 특히, 순정품의 산화안정성은 매우 우수하다. 또한, dispersants는 열안정성이 우수하지 않으므로 사용에 한정적이다. 즉, dispergency가 높고, low-ash type의 북미엔진오일은 일본형에는 적당하지가 않다.

일본형의 디젤엔진오일은 피스톤 crown아래에 soot를 방지하기 위하여 적당한 dispersancy를 유지해야 하는 데 동시에 오일산화안정성이 우수해야 한다. 그래서, 일본 디젤엔진오일의 특징은 매우 높은 detergent를 유지하고 있으며, 또한 sulfated ash 또한 2.0%정도로 매우 높다.

04 결론

이상과 같이 각 지역에 따라 엔진의 특징이 다르고 요구하는 조건 또한 다르므로 엔진오일의 특징은 지역에 따라 달리 적용되고 있다. 따라서, 부적당한 엔진오일의 추천은 오히려 문제를 일으킬 수 있다. 즉, 유럽이나 일본형의 디젤엔진에 북미형의 엔진오일을 적용할 경우에는 오일소모량의 증가 및 bore polishing을 일으킬 것이다. 또한 역으로 북미의 엔진에 유럽형이나 일본형의 엔진오일을 적용할 경우에는 오일의 소모량을 증가시키고 엔진의 수명을 단축시킬 것이다.

유럽과 일본의 엔진오일이 유사한 특성을 지니고 있지만 일본형의 산화안정성을 요구하고 있지 않으므로 적용에 부적절한 특성을 지니고 있다.

따라서, 적합한 엔진에 적당한 엔진오일이 엔진의 수명을 증가시키는 데 최적의 조건이라 하겠다.